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《电子元器件的可靠性》——1.2节质量观与可靠性概念

简介:

本节书摘来自华章社区《电子元器件的可靠性》一书中的第1章,第1.2节质量观与可靠性概念,作者王守国,更多章节内容可以访问云栖社区“华章社区”公众号查看

1.2 质量观与可靠性概念
1.2.1 当代质量观
质量是企业的生命线,质量管理是企业管理的主线,是永恒的主题。国内某著名企业的大门上贴出这样一副对联:“不抓质量的企业没有希望,不讲质量的产品没有市场”。这副对联的核心就是质量,只有名牌产品才能占领国内市场,才能跻身国际市场。创名牌一靠技术先进,二靠质量优良。战后的日本,为了振兴日本的民族工业,首先狠抓质量工作,进行了质量革命,走上了经济强国的道路,丢掉了劣等东洋货的帽子,打进国际市场,使日本经济很快复苏成为亚洲四小龙之一。
在1995年5月召开的美国质量管理协会年会上,美国的质量管理专家朱兰博士做了题为“未来的质量世纪”的报告,他对世界质量活动的发展过程进行了回顾和分析,认为20世纪是“生产率的世纪”,21世纪将是“质量的世纪”,人们将在“质量大堤下生活”。
我国政府主管部门强调每一个企事业单位一把手要转变观念,亲自抓质量工作。国防科工委在1995年下发的“关于加强军工产品质量工作的措施意见”中明确指出,各部门和研制生产单位的负责人,要有强烈的质量忧患意识,并且提出质量意识不强、考核不合格的不能当行政一把手。
早期所谈的质量属于外在质量,我们称它为传统的质量观,它单纯追求性能指标,着眼于缺陷的纠正,在管理上以“产品符合生产图纸和工艺规定要求”实施“检验”手段来保证产品质量。所以传统质量观只包括产品性能,不包括产品的可靠性等其他因素。
传统质量观对质量的解释最典型的是1992年在北京召开的国际可靠性年会上,一位美国专家所举的反例,他说:北京某厂生产的一百辆汽车,经检验合格出厂了,这就是质量,而这一百辆汽车自北京跑到上海,途中有几辆出了故障,这就是可靠性问题。
1991年国防科工委丁衡高同志提出了当代质量观的新概念,着眼于产品“长时期保持良好性能”和“最佳寿命周期费用”等附加要求。当代质量观追求产品的综合效能和缺陷的预防,其内涵是性能、可靠性、维修性、安全性、经济性、时间性及保障性,当代质量观使质量管理前伸后延,从产品研制的早期直至生产、使用,讲究管理的三全:全过程、全员、全方位。
当代质量观念认为系统可靠性RAMS(可靠性Reliability、可用性Availability、可维修性Maintainability和安全性Safety)和质量同属于产品的重要特性。产品的质量应该包括外部特征、技术指标、可靠性、经济性和安全性几个部分。外部特征有产品的商标名称、造型结构、尺寸重量、工作环境、电压和功耗等。技术指标是质量的一个最明显的项目,如工作带宽、放大倍数等,具体指标随产品种类而异。可靠性反映产品的寿命长短、使用维修情况、完成任务的能力大小,它是产品质量的重要指标之一,可靠性也是质量问题。
产品的技术性能与产品的可靠性都是通过产品的设计所赋予的,并且是通过制作过程中全面的质量管理来保证的,它们之间有着极为密切的关系。没有产品的技术指标,产品的可靠性就无从谈起。如果产品不可靠,容易出故障,尽管其技术性能很先进,却无用武之地,就会失去其使用价值;如果引起事故,造成危害,就更严重了。所以产品的基本技术及其可靠性是不可分割的。
但产品的可靠性和其技术性能又有不同,产品的技术性能指标是产品制成后交付使用前(即出厂时)的情况,出厂时生产者所关心的是废品率。可靠性是指产品在使用过程中的情况,它是时间的函数。使用者关心的是瞬时失效率。此外,产品的技术性能可通过具体的仪器设备测量出来,而可靠性是测量不出来的,它通过大量的分析试验,在调查研究等的基础上,对有关的可靠性数据进行统计评估而得到。它说明的是某一批产品(而不是某一个单个产品)的可靠性水平。
1.2.2 可靠性的定义
产品的可靠性是与许多因素有关的综合性质量指标,最早的可靠性定义是由美国AGREE在1957年的报告中提出的,1966年美国的MIL-STD-721B又给出了传统的或经典的可靠性定义,即产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它为世界各国的标准所引证,我国的GB 3187—1982给出的可靠性定义也与此相同。但在实际应用中,人们已经感到了上述定义的局限性,因为它只反映了成功完成任务的能力。于是,美国于1980年制定的MIL-STD-785B将可靠性定义分别为任务可靠性(Mission Reliability)和基本可靠性(Basic Reliability)两部分。任务可靠性是:产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。它反映了产品在执行任务时成功的概率,它只统计危及任务成功执行的致命故障。基本可靠性是:产品在规定条件下,无故障的持续时间或概率。它包括了全寿命周期内的全部故障,它能反映产品在维修人力和后勤保障等方面的要求。例如,MTBF、MCBF(平均故障间隔的使用次数)。把可靠性概念分为两种不同用途的可靠性概念,是对可靠性工作实践经验的总结和对这一问题认识的深化。这无疑是一个新的重要发展,我国1988年的军标GJB 450—1988就引用了这两种可靠性定义。
产品的可靠性可用其可靠度来衡量,在上述可靠性的定义中,包含以下因素。
对象:可靠性问题的研究对象是产品,它是泛指的,可以是元件、组件、零件、部件、机器、设备,甚至整个系统。研究可靠性问题时,首先明确对象,不仅要确定具体的产品,还应明确它的内容和性质。如果研究对象是一个系统,则不仅包括硬件,而且包括软件和人的判断与操作等因素,需要用人机系统的观点去观察和分析问题。
规定条件:研究对象的使用条件包括运输条件、储存条件、使用时的环境条件(如温度、压力、湿度、载荷、振动、腐蚀、磨损等)、使用方法、维修水平、操作水平,这些使用条件对其可靠性都有很大影响。对于电子元器件,“规定条件”主要指使用条件(包括使用的电压、电流和功率等)和环境条件(包括温度、湿度和气压等)。“规定条件”不同,元器件的可靠性也不同。例如,工作负荷较轻或不工作(储存状态)时,元器件就容易保持原有性能,而在恶劣环境(如高温、高湿)中或工作负荷较重时则易于变化。同一元器件在试验室、野外、海上、空中等不同的环境条件下及在不同的地带或地区(寒带或热带,干热地区或潮热地区),其可靠性是不同的。因此,谈及可靠性时必须明确其所处的环境和工作状态。
规定时间:与可靠性关系非常密切的是关于使用期限的规定,因为可靠度是一个有时间性的定义。对时间的要求一定要明确。时间可以是区间(0,t),也可以是区间(t1,t2)。有时对某些产品给出相当于时间的一些其他指标可能会更加明确,如汽车的可靠性可规定行驶里程(距离);有些产品的可靠性则规定周期、次数等会更恰当,如继电器、开关和插头等。一般来说,元器件经过筛选后,随着使用或储存时间越长,可靠性越低,失效次数越多。因此,可靠性必须明确在多长时间内的可靠性,离开时间的可靠性将是无意义的。同一元器件因规定的时间不同,其可靠性也不同。
规定功能:研究可靠性要明确产品的规定功能的内容,一般来说,所谓“完成规定功能”是指在规定的使用条件下能维持所规定的正常工作而不失效(不发生故障),即研究对象能在规定的功能参数下正常运行。应注意,失效不一定仅仅指产品不能工作,在某些情况下,表面上,有些产品虽然还能工作,但由于其功能参数已经漂移到规定界限之外了,即不能按规定正常工作,也视为失效。要弄清该产品的功能是什么,其失效或故障(丧失规定功能)的判据。
概率:可靠度是可靠性的概率表示,把概念性的可靠性用具体的数学形式表示,这就是可靠性技术发展的出发点。因为用概率来定义可靠度后,对元件、组件、零件、部件、机器、设备、系统等产品的可靠程度的测定、比较、评价、选择等才有了共同的基础,对产品可靠性方面的质量管理才有了保证。
如上所述,讨论产品的可靠性问题时,必须明确对象、使用条件、使用期限、规定的功能等因素,而用概率来度量产品的可靠性时就表示产品的可靠度。可靠性定量表示的另一个特点是其随机性,因此,广泛采用概率论和数理统计方法来对产品的可靠性进行定量计算。
产品运行时的可靠性,称为工作可靠性(Operational Reliability)。它包含产品的制造和使用两方面的因素,且分别用固有可靠性和使用可靠性来反映。
固有可靠性(Inherent Reliability):即在生产过程中已经确立的可靠性。它是产品内在的可靠性,是生产厂在模拟实际工作条件的标准环境下,对产品进行检查并给予保证的可靠性,它与产品的材料、设计、制造工艺及检验精度等有关。
使用可靠性(Use Reliability):与产品的使用条件密切相关,它受到使用环境、操作水平、保养与维修等因素的影响。使用者的素质对使用可靠性影响很大。
对于实现维修制度的产品,一旦发生故障或失效,总是先修复再使用,因此,对于这类产品,不发生故障或可靠性好固然很重要,发生故障或失效后能迅速修复以维持良好而完善的状态也很重要。产品的这种易于维修的性能,通常称为产品的维修性。
维修性和维修度的提出,使得可靠性和可靠度又有广义和狭义之分。广义可靠性(Generalized Reliability):是指产品在其整个寿命期限内完成规定功能的能力。它包括可靠性与维修性。由此可见,广义可靠性对于可能维修的产品和不能维修的产品有不同的意义,对于可能维修的产品来说,除了要考虑提高其可靠性外,还应考虑提高其维修性;而对于不可能维修的产品来说,由于不存在维修的问题,只考虑提高其可靠性即可。
与广义可靠性相对应,不发生故障的可靠度与排除故障的维修度合称狭义可靠度。
可靠性与维修性都是相对失效或故障而言,明确失效或故障的定义,研究失效或故障的类型和原因,对可靠性和维修性都有很重要的意义。
失效(Failure),对于可修复的产品,通常称为故障,其定义为产品丧失规定的功能。这个不仅指规定功能的完全丧失,还包括规定功能的降低等。
1.2.3 经济性和安全性
质量的经济性不仅指产品的生产费用,还应考虑产品的全寿命周期费用。经济性即我们常说的寿命周期成本(LCC),它与产品的质量和可靠性、安全性等是密切相关的,也属于现代质量观的范畴。全寿命周期是指产品从开发、研制、设计,到用户使用后报废所经历的时间。所以,除产品价格外,全寿命周期费用还应考虑使用时的维修费用。微电子器件是作为电子元器件在整机或系统中使用的,如果器件出现故障,整机需要维修。在整机的不同阶段(制造安装、调试、现场使用)更换一个器件所需要费用相差很大,有时甚至极其昂贵或不可能,这时选用高可靠性的微电子器件就显得很重要。器件可靠性的提高,涉及设计、生产、设备、测试、管理等许多环节,这会造成生产成本上升,而使用维修费用下降。产品的总费用与可靠性之间有一定的关系。关于产品,其可靠性也不是越高越好,而应从总的经济效果来看,同时还涉及产品所完成的任务、功能以及军事、政治等因素,应全面衡量,综合考虑。
产品的安全性是指在使用及运输过程中,不会引起使用者的生命伤害及财产损失。

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